[論文レビュー] Cold dark matter by heavy double charged leptons

Daniele Fargion, Maxim Khlopov+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、二つの重い、逆符号の二重電荷を有するレプトン（E および P）に基づく、新しい冷たい暗黒物質候補を提案する。それぞれが異なるレプトン数を有し、ほぼ可換な幾何学的枠組みを介して安定で中性の（EP）原子を形成する。これらの（EP）結合状態は、初期宇宙における宇宙的レリックスとして出現し、冷たい暗黒物質の種として機能する。再結合期におけるガンマ光子からの検出可能なシグナルが、スーパーカムイオカンデなどのニュートリノ観測所で観測可能である。

ABSTRACT

A new candidate of cold dark matter arises by a novel elementary particle model that is adding two heavy leptons, each one sharing a double opposite electric charge and an own lepton flavor number: the almost-commutative (AC)-geometrical framework. In this scenario two new heavy ($ m_L \\geq 100 GeV$), oppositely double charged leptons (E,P), (E with charge -2 and P with charge +2 and opposite Z-charge), are born with no twin quark companions. Their final cosmic relics are bounded into "neutral" stable atoms (EP) forming the mysterious cold dark matter, in the spirit of the Glashow's Sinister model. An (EP) state is reached in the early Universe along a tail of a few secondary frozen exotic components. They should be now here somehow hidden in the surrounding matter. The two main secondary manifest relics are P (mostly hidden in a neutral (e e P) "anomalous helium" atom, at a 10^{-8} ratio) and a corresponding "ion" E bounded with an ordinary helium ion which preserves the leptons to later recombine with neutral (e e P) into (EP) evanescent states. In early and late cosmic stages (EP) gas is leading to cold dark matter gravity seeds. Binding (e e P)+(He E) into (EP) heavy lepton AC-"atoms" results in a steady decrease of the anomalous isotopes and a growing concentration of AC-gas. However the (He E) influence on Big Bang nucleo-synthesis and catalysis of nuclear transformations in terrestrial matter may be a serious problem (or advantage?) for the model, while effects of tens MeV gamma photons, accompanying (EP) recombination, should leave traces in Super-Kamiokande or SNO records.

研究の動機と目的

• 二つの重い、電荷が逆符号でレプトン数が異なる二重電荷レプトンを用いた、冷たい暗黒物質のための新しい素粒子モデルを提唱すること。
• 初期宇宙における安定な（EP）結合状態の形成を、宇宙的レリックスとしての寄与を伴い、冷たい暗黒物質として説明すること。
• これらの異常粒子の宇宙論的および天体物理学的影響を調査すること。特にビッグバンヘリウム合成および地上物質における触媒作用に与える影響を検討すること。
• 検出可能なシグナル、例えば（EP）再結合に伴う数十MeVのガンマ線を、スーパーカムイオカンデやSNOで観測可能かどうかを検討すること。

提案手法

• 二つの新しい重レプトン（E は -2e 電荷、P は +2e 電荷）を導入し、それらは双子クォークとペアを形成しない。これらはほぼ可換（AC）幾何学的枠組みにおいて基本的構成要素として存在する。
• 初期宇宙における晩期的で凍結したプロセスを通じて中性（EP）原子が形成されることをモデル化し、異常な二次的レリックスの尾を形成する。
• （e e P）および（He E）系の結合を分析し、（EP）原子の形成と異常核種の徐々な枯渇を導く。
• （He E）および（e e P）がビッグバンヘリウム合成および地上物質における核触媒作用に与える影響を評価し、制約条件または利点としての可能性を検討する。
• （EP）再結合期に数十MeVのガンマ線が放出され、大規模なニュートリノ観測所で検出可能であると予測する。
• ACガスの長期的進化を検討し、（EP）濃度の継続的増加と異常核種の減少を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二つの重い二重電荷レプトンが、初期宇宙において安定で中性の結合状態を形成し、冷たい暗黒物質として機能するメカニズムは何か？
• RQ2 （He E）および（e e P）系がビッグバンヘリウム合成および地上物質における核触媒作用に与える宇宙論的影響は何か？
• RQ3 （EP）原子の再結合が、スーパーカムイオカンデやSNOのようなニュートリノ観測所で検出可能なガンマ線シグナルを生成できるか？
• RQ4 ほぼ可換（AC）幾何学的枠組みが、これらの異常レプトンの存在および安定性を可能にする役割は何か？
• RQ5 （EP）原子の濃度は宇宙時間とともにどのように変化するか？また、（e e P）および（He E）のような異常核種の運命は何か？

主な発見

• モデルは、質量がそれぞれ100 GeV以上である二つの重い二重電荷レプトン（E および P）の存在を予測し、これらが宇宙的レリックスとして安定な（EP）原子を形成する。
• （EP）結合状態は、初期宇宙における二次的で凍結したプロセスによって形成され、重力的種子を有する冷たい暗黒物質を形成する。
• P レプトンの大部分は、10⁻⁸の濃度比で（e e P）「異常ヘリウム」原子に隠されている一方、E レプトンはヘリウムイオンと結合している。
• （EP）原子の再結合に伴い、数十MeVのガンマ線が放出され、スーパーカムイオカンデやSNOの記録に検出可能な痕跡を残す可能性がある。
• モデルは、（EP）濃度の継続的増加とそれに伴う異常核種の減少を予測する。
• （He E）および（e e P）系の存在は、ビッグバンヘリウム合成に顕著な影響を与え、地上物質における核変換を触媒する可能性があり、モデルにとっての挑戦または機会となる。